第11章生化反应器

1、第十一章 生化反应器 生化反应器一般是指利用生物催化剂进行生化反应的设备。 生化反应器可以给活细胞或酶提供适宜的反应环境和条件，在生物体外实现生物细胞内进行的多种化学反应及物质代谢过程。 以生物反应器为核心的有关生化反应过程，包括酶催化反应动力学和细胞培养动力学、常见的生物反应器以及相关计算等。1 生物和酶催化反应生物产品生产过程 1-1 生物反应过程 利用生物催化剂将原料转化为产品过程中发生的一系列生物化学变化过程。生物催化剂是游离的或固定化的细胞和酶的总称。 当采用游离的整体活微生物细胞作催化剂时，其生物反应过程称为发酵过程(在特定情况下有时也称之为微生物转化过程)； 当所用生物催化剂为游

2、离或固定化酶时，其生物反应过程称为酶反应过程(有时也称为酶促反应过程或酶催化反应过程)。 1-2 生物反应过程的特点1.发酵过程的特点 反应步骤简单。 反应条件温和，消耗能量较少。 反应产物的含量低，副产物较多，产品分离过程复杂。 在反应过程中反应体系容易被杂菌污染。 利用微生物作为催化剂时，细胞的稳定性较高。 原料来源丰富，价格低廉。 生产设备简单，同一装置可以生产多种产品，设备投资较少。2.酶催化反应的特点 酶催化反应具有专一性。 酶催化剂具有非常高的活性和选择性。 酶催化反应条件温和。 酶对于环境条件的改变比较敏感，稳定性差。 酶催化反应对原料的要求较高。 酶催化剂制作工艺复杂，价格昂贵

3、。1-2 酶催化剂的主要类型和用途 1.酶的命名 习惯命名法：通常根据底物和酶所催化的反应性质来命名，如淀粉酶，氧化酶等；有些酶的命名还加上酶的来源或酶的特点，如胃蛋白酶等。 系统命名法：酶的名称应包括酶的系统名和分类编号，其中酶的系统名依次由底物名称、反应类型和表示酶的后缀词-ase构成。2.酶的分类和用途按酶的催化反应类型，可将酶分成六类： 氧化还原酶类（Oxido-reductases） 转移酶类(Transferases) 水解酶类(Hydrolases) 裂合酶类(Lyases) 异构酶类（Isomerases） 连接酶类（Ligases）2 生物反应动力学 生物反应动力学是研究生物

4、反应速率的规律，即在一定条件下研究生物反应过程中底物或基质的消耗速率或细胞的生长速率以及产物生成速率等。这种研究不考虑反应器的结构形式，也不考虑热量传递和质量传递等工程因素对反应速率的影响，仅专门研究生物反应的本征动力学（微观动力学） 。 根据生物催化剂种类的不同，生物反应过程有以下两种情况： 一种是底物在游离或固定化酶催化剂的作用下进行反应，即酶催化反应； 另一种是促进细菌生长的发酵过程或细胞培养过程，利用细胞中的酶把培养基通过复杂的生物反应转化成新的细胞及其代谢产物。 2-1 酶催化反应动力学 酶催化反应动力学主要是研究各种因素对酶催化反应速度的影响，以及反应物到产物之间可能进行的历程，希

5、望用数学原理和质量作用定律解释酶反应的进程。 酶催化反应有许多类型，酶催化反应动力学方程也有多种模型。 1.米氏方程及动力学参数的求法 米氏方程(MichaelisMenten Equation)酶反应反应机理为米氏方程PSEEPESSEkkk211mSSEKccckpr0,2Km米氏常数，kmolm-3s-1； rP产物P的生成速率，kmolm-3s-1。 米氏方程动力学参数的求法 米氏方程是一个双曲线函数，不容易直接从rP-cS曲线求出动力学参数，故常将米氏方程转变为线性形式，然后用作图法求出动力学常数Km和最大反应速率rmax。 莱恩威弗-伯克（也称双倒数作图） 法smpmssKccck

6、pcrKrrKccrrmSSE111maxmaxmax0,2 伊迪-霍夫施蒂（Eadic-Hofstee）法 黑尼斯-伍尔夫（Hanes-Woolf，简称H-W法，又称兰格缪尔（Langmuir）作图法spmpmssKccckpcrKrrKccrrmSSEmaxmax0,2得：由maxmaxmax0,2rcrKrcKccrrsmpsmssKccckpmSSE得由2.影响酶催化反应的因素 底物抑制 抑制剂的影响 pH值对酶催化反应的影响 温度对酶催化反应的影响 金属离子的影响 2-2 发酵和细胞培养动力学 发酵或细胞培养过程的生物反应动力学就是探讨细胞生长、基质消耗和产物形成的动力学。 1.细胞

7、分批培养动力学微生物分批培养时的生长曲线 XXXcdtdcr细胞生长速率： 2. 基质消耗和产物形成速率 在细胞培养过程中，基质的消耗主要用于细胞的增长；而在发酵过程中，基质除了消耗于细胞增长之外，还消耗于产物的生成。此外还要消耗部分基质用于产生能量以维持细胞正常的生命活动。 对于单细胞培养过程，限制性基质消耗速率表示为：=XSXXSXsscYdtdcYdtdcr/11)( 如果以碳源为限制性基质，当有产物生成时，根据物料衡算，表示基质的消耗速率为： 产物生成动力学较为复杂，产物的生成与细胞的增长以及基质消耗的关系会因培养条件和细胞种类的不同而各异。 dtdcY1mcc1dtdPPXXSGYc

8、 关于产物动力学研究，首先需要通过实验找到细胞生长、基质消耗和产物生成的规律，然后建立合理的数学模型并确定模型参数，用数学模型就可以模拟分批培养过程从而达到优化控制过程的目的。 3 生化反应器3-1 生化反应器的特殊要求 结构严密，内壁光滑无死角，尽量减少内部构件。 尽量少开口，减少阀门、接口和法兰的数量。 在操作过程中反应器应保持一定表压。 尽可能减少泡沫的产生以提高装料量。 应能保持良好的气液接触和液固混和状态以及热量交换能力。3-2 生化反应器类型 按几何外形和内部结构：釜(罐)式、管式、塔式、膜式等； 按生物催化剂类型：酶促反应器、微生物培养发酵罐、植物细胞反应器、动物细胞反应器等； 按反应器动力输入方式：机械搅拌式、气升式和液体喷射环流式反应器； 按操作方式：间歇式、连续式和半连续式生化反应器； 按生物催化剂在反应器中的分布方式：填充床生化反应器、流化床生化反应器、生物转盘生化反应器、膜生物反应器等； 按物料的流动和混合状态：全混流型生化反应器和活塞流型生化反应器； 按培养基质的物料状态：液态生化反应器和固态生化反应器。机械搅拌式发酵罐 高位筛板式发酵罐 环流式生